CN101364097B - 一种高实时性的多通道数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高实时性的多通道数据采集系统，基于可编程逻辑器件和多通道高分辨率A/D转换器实现多路A/D的高速、高精度、实时数据采集。该系统采用可编程逻辑器件作为主控制器和A/D转换器的中间环节，通过可编程逻辑器件的时序逻辑同时控制多路A/D实现高速序列采样，将采样值锁存至可编程逻辑器件，同时映射至主控制器的外部地址空间，将主控制器对A/D采样结果的读取，转换为对外部存储器的访问操作，实现多通道数据采集的高速、实时传输特性。本发明的硬件电路简单，软件设计灵活，具有高速、高精度、实时数据采集和传输特性，可广泛用于网络、通讯、信息类家电、工业自动化等领域。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种高实时性、高精度的数据采集与控制系统，主要用于伺服控制系统中的模拟信号采样。
背景技术
在需要对多路模拟信号同时进行高速、高精度的数据采集的伺服系统中，高速数据采集和实时数据传输是伺服控制系统的重要环节。目前，国内伺服控制领域常选用多通道、12位或更高分辨率的高速并行接口A/D器件作为数据采集的核心器件。A/D与主控器件的接口多采用直接接口模式、直接缓存模式和间接缓存模式等，上述模式难于满足高精度的伺服控制系统采集数据的要求，主要问题在于：
(1)采用多片、多通道直接接口模式的数据采集系统，由于A/D的采样完全受控于主控器，读数必须等待A/D芯片完成全部通道采样才能进行，因而实时性较差。
(2)采用主控制器通过FIFO缓冲芯片与复杂可编程逻辑器件构成的直接或间接缓存模式，由于硬件电路复杂且成本较高，难以实现多通道的数据采集。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种满足伺服控制要求的高实时性、高精度、多通道的数据采集系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：在多通道数据采集控制系统上实施数据采集，所述多通道数据采集系统采用可编程逻辑器件作为主控制器和数据采集器中间环节，将多片A/D的数据总线与可编程逻辑器件并接，将多片A/D的控制信号汇总成A/D控制总线与可编程逻辑相连，可编程逻辑器件的时序逻辑控制A/D实现高速序列采样，并将采样值锁存至可编程逻辑器件，同时映射至主控器的外部地址空间，使主控制器对A/D采样数据的读取，转换为对外部存储器的访问操作，实现采集数据的高速、实时传输特性。
所述可编程逻辑器件的内设功能单元包括A/D时序控制单元、外部地址映射单元、地址发生器、RAM访问控制单元、数据输入锁存器、数据输出锁存器、16位RAM存储器，其中，A/D时序控制单元从外部地址映射单元接收主控器的起始指令；通过A/D控制总线对A/D器件的自动采样进行控制，在每个A/D通道转换结束后，RAM访问控制单元将转换数据通过A/D数据总线送入数据输入锁存器锁存；A/D时序控制单元先控制地址发生器为当前转换数据产生存储地址，再向RAM访问控制单元发出写命令，将锁存数据实时存入16位RAM存储器，外部地址映射单元将存储器中的数据地址映射至主控制器的外部地址空间，RAM访问控制单元控制数据输出锁存器将转换数据输出到主控制器。
所述控制总线包括所有A/D的转换起始信号CONVST、通道转换结束信号EOC以及忙标识位BUSY，通过对上述三个信号量的判断与控制，即可完成A/D的自动采样控制。
所述可编程逻辑器件内部A/D时序控制单元控制多个A/D顺序采样的工作流程如下：
1)当收到来自外部地址映射单元的采样起始信号后，该时序控制单元向第一片A/D输出起始转换负脉冲信号，A/D随即开始转换；
2)内部逻辑通过对当前A/D的EOC信号进行上升沿检测来判断当前通道转换是否结束，若是，则通过控制地址发生器和RAM访问控制单元实现将A/D采样结果保存至16位RAM存储器中；在检测到A/D的忙标志BUSY信号无效后，即可判断当前A/D的所有通道转换结束；
3)时序逻辑产生下一片A/D的转换起始负脉冲，并重复通过对已采样通道计数可判断所有A/D通道转换是否完成，若是，则一次数据采集过程结束，否则，重复前述循环过程。
根据本发明的高实时性的高速高精度多通道数据采集方法，所述主控制器通过改变向可编程逻辑器件发送采样起始指令的频率，实现不同的数据采集速率，此数据采集速率控制在A/D的最大采样速率内。
本发明与现有技术相比较，具有如下特点：
1.在可编程逻辑器件内部设计的A/D控制逻辑，控制A/D转换器始终工作在最大采样速率，除采样起始指令外，整个采样过程无需主控制器干预，从而减轻了主控制器的负担，提高了系统实时性。
2.选用地址映射方式实现主控制器与可编程逻辑器件内部RAM存储器的数据传输和采样起始指令的发送，简化了主控制器的程序编制，使主控制器对A/D采样数据的读取，转换为对外部存储器的访问操作，实现采集数据的高速、实时传输。
3.主控制器通过改变向本采集系统发送采样起始指令的频率实现不同的数据采集速率(在A/D的最大采样速率内)，可满足各伺服控制环路对采样速率的不同需求。
4.当系统中用到多片A/D转换器时，所有的A/D通道自动组合为一个采样序列，序列中每一通道都以最高速率采样，通道间切换没有时间延迟。
5.可编程逻辑器件内设的A/D时序控制单元可以控制在一片A/D完成数据采样后，自动启动下一片A/D工作，直至所有通道采样结束。
本发明硬件电路简单，软件设计灵活，具有多路、高速数据采集和实时数据传输特性，可广泛用于网络、通讯、信息类家电、工业自动化等领域。
附图说明
图1本发明的系统组成框图
图2本发明可编程逻辑器件CPLD内部逻辑的工作原理框图
图3本发明AD7865与CPLD的接口电路图
图4本发明CPLD内部A/D时序控制单元的控制流程图
具体实施方式
本发明的要点是：引入可编程逻辑器件，实现主控制器和多路A/D的高速数据采集和实时数据传输。
参见图1，本实施例中，主控制器采用DSP，可编程逻辑器件采用CPLD，A/D器件采用14位分辨率的高速、四通道、并行接口芯片AD7865。硬件连接方法是：将多片A/D的数据总线与CPLD并接，将多片A/D的控制信号汇总成A/D控制总线与CPLD相连，CPLD的时序逻辑控制所有A/D实现高速序列采样，并将采样值锁存至CPLD，同时映射至主控器的外部地址空间，使主控制器对A/D采样数据的读取，转换为对外部存储器的访问操作，实现采集数据的高速、实时传输特性。
参见图2，CPLD内设计的功能单元包括：外部地址映射单元、A/D时序控制单元、地址发生器、RAM访问控制单元、数据输入锁存器、数据输出锁存器和16位RAM存储器。其中，A/D时序控制单元与A/D控制总线相连，总线包括所有A/D的转换起始信号CONVST、通道转换结束信号EOC以及忙标识位BUSY。通过对上述三个信号量的判断与控制，即可完成A/D的自动采样控制。A/D时序控制单元从外部地址映射单元接收主控制器起始转换指令；在每个转换通道结束后，RAM访问控制单元将转换数据通过A/D数据总线送入数据输入锁存器锁存；A/D时序控制单元先控制地址发生器为当前转换数据产生存储地址，再向RAM访问控制单元发出写命令，将数据锁存器中的转换数据实时存入16位RAM存储器，外部地址映射单元将存储器中的数据地址映射至主控制器的外部地址空间，RAM访问控制单元控制数据输出锁存器将RAM存储器中的转换数据输出到主控制器。当控制多个A/D顺序采样时，时序控制单元在每片A/D转换结束后自动启动下一片A/D，并重复前述过程。
如图3所示的AD7865与CPLD的接口电路，本发明的实施例采用两片AD7865和CPLDEPM1270T144组成八通道序列采样系统，其中AD7865的读信号RD与通道转换结束信号EOC相连，保证AD7865在每个通道转换结束的同时，即将转换数据输出到CPLD的数据输入总线DB0～DB13上。图3中CPLD到A/D的控制信号包括起始转换信号COV1和COV2，而A/D反馈给CPLD的信号包括忙检测信号BSY1、BSY2和通道转换结束信号EOC1、EOC2，CPLD通过对上述标志位的判断来实现对两片AD7865的顺序采样控制。而DA0～DA18和D0～D15则分别为CPLD与主控制器相连的地址和数据总线。
参见图4，CPLD内部A/D时序控制单元控制AD7865采样的工作流程为：当收到来自外部地址映射单元的采样起始信号后，该时序控制单元向第一片A/D输出起始转换负脉冲信号，A/D随即开始转换；内部逻辑通过对当前A/D的EOC信号进行上升沿检测来判断当前通道转换是否结束，若是，则通过控制地址发生器和RAM访问控制单元实现将A/D采样结果保存至CPLD内的16位RAM存储器中。在检测到A/D的忙标志BUSY信号无效后，即可判断当前A/D的所有通道转换结束，此时，时序逻辑产生下一片A/D的转换起始负脉冲，并重复通过对已采样通道计数可判断所有A/D通道转换是否完成，若是，则一次数据采集过程结束，否则，重复前述循环过程。
Claims (3)
1.一种高实时性的多通道数据采集系统，基于可编程逻辑器件和多通道高分辨率A/D转换器实现多路A/D的高速、高精度、实时数据采集，其特征在于：采用可编程逻辑器件作为主控制器和数据采集器中间环节，将多片A/D的数据总线与可编程逻辑器件并联，将多片A/D的控制信号汇总成A/D控制总线与可编程逻辑器件相连，可编程逻辑器件的时序逻辑控制A/D实现高速序列采样，并将采样值锁存至可编程逻辑器件，同时映射至主控制器的外部地址空间，使主控制器对A/D采样数据的读取，转换为对外部存储器的访问操作，实现采集数据的高速、实时传输特性。
2.根据权利要求1所述的高实时性的多通道数据采集系统，其特征在于：由所述可编程逻辑器件内设的功能单元包括A/D时序控制单元、外部地址映射单元、地址发生器、RAM访问控制单元、数据输入锁存器、数据输出锁存器、16位RAM存储器，其中，A/D时序控制单元从外部地址映射单元接收主控制器的起始指令；通过A/D控制总线对A/D器件的自动采样进行控制，在每个A/D通道转换结束后，RAM访问控制单元将转换数据通过A/D数据总线送入数据输入锁存器锁存；A/D时序控制单元先控制地址发生器为当前转换数据产生存储地址，再向RAM访问控制单元发出写命令，将锁存数据实时存入16位RAM存储器，外部地址映射单元将存储器中的数据地址映射至主控制器的外部地址空间，RAM访问控制单元控制数据输出锁存器将转换数据输出到主控制器。
3.根据权利要求2所述的高实时性的多通道数据采集系统，其特征在于：可编程逻辑器件内部A/D时序控制单元控制多个A/D顺序采样的工作流程如下：
1)当收到来自外部地址映射单元的采样起始信号后，该时序控制单元向第一片A/D输出起始转换负脉冲信号，A/D随即开始转换；
2)A/D时序控制单元通过对当前A/D的EOC信号进行上升沿检测来判断当前通道转换是否结束，若是，则通过控制地址发生器和RAM访问控制单元将A/D采样结果保存至16位RAM存储器中；在检测到A/D的忙标志位BUSY信号无效后，即可判断当前A/D的所有通道转换结束；
3)A/D时序控制单元产生下一片A/D的转换起始负脉冲，并重复通过对已采样通道计数，判断所有A/D通道转换是否完成，若是，则一次数据采集过程结束；否则，重复工作流程1)-3)。
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